電子工程師在其設計中所面臨的難題

EMI / 抗干擾設計

EMI 是當今許多設計人員所面臨的一項重大挑戰。如果不能順利通過(guò) EMI 測試，則將導致項目成本顯著(zhù)增加和進(jìn)度遲緩，因此高水平的工程師會(huì )在設計的早期尋求減低 EMI 的方法。因為開(kāi)關(guān)穩壓器具有高能量效率，所以越來(lái)越多人采用，對EMI 的影響也在加重。一種能有助于抑制與開(kāi)關(guān)電源相關(guān)之 EMI 的簡(jiǎn)單方式是采用一個(gè)多相擴頻時(shí)鐘。使用諸如 LTC6909 等器件至少能夠以三種方式提供幫助。首先，硅振蕩器 (例如：LTC6909) 可用于將穩壓器的開(kāi)關(guān)頻率和最終的基本 EMI 頻率設定在某個(gè)敏感的頻段之外。其次，LTC6909 的多個(gè)輸出相位可用于在不同的相位對不同的穩壓器進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，因而降低了會(huì )產(chǎn)生 EMI 的峰值開(kāi)關(guān)電流。諸如 LTC6909 等產(chǎn)品所提供的第三種改善是運用擴頻調頻技術(shù) (SSFM) 將開(kāi)關(guān)電流散布于時(shí)域之中。此項技術(shù)不允許輻射能量在任何接收器的頻段內長(cháng)時(shí)間地停留，從而改善了 EMI。

低噪聲電路設計

噪聲是高準確度系統的大敵。同時(shí)，它也是一個(gè)涉及范圍很大的話(huà)題。這里我并不打算詳細地闡述這一話(huà)題，而是就電子電路中的噪聲舉三個(gè)例子，并說(shuō)明新產(chǎn)品是如何能夠有助于盡量抑制這些噪聲。如需全面了解電壓噪聲、電流噪聲、電阻器噪聲及其在放大器電路中的關(guān)系，請登錄凌力爾特公司的網(wǎng)站查閱設計要點(diǎn) 355 (Design Note 355)。

1. 高速數據轉換電路中的放大器噪聲

在模數轉換電路中，假如選擇了一個(gè)具有足夠高分辨率的 ADC，則量化噪聲將不再是主導因素。設計人員因而可把其注意力轉移至其他的噪聲源，包括放大器噪聲、電壓基準噪聲和時(shí)鐘相位噪聲等，所有這些噪聲源均會(huì )限制總體系統準確度。當選擇放大器時(shí)，頻率范圍是重要因素。在 1/f 噪聲轉折頻率以上，寬帶電壓噪聲以 nV/√Hz 為度量單位。帶寬越寬，則噪聲越大，因此利用無(wú)源或低噪聲有源濾波器對信號實(shí)施濾波處理是低噪聲設計的一個(gè)重要組成部分。實(shí)際上說(shuō)來(lái)，放大器的噪聲設定了最小可分辨信號，而失真則決定了可以準確測量的最大信號幅度。噪聲與失真一起確定了動(dòng)態(tài)范圍。所以，對于高分辨率 ADC 應用而言，選擇一款低噪聲和低失真的 ADC 驅動(dòng)器至關(guān)緊要。LTC6409 就是這樣的一個(gè)產(chǎn)品實(shí)例，該器件具有 1.1nV/√Hz 的寬帶電壓噪聲。再加上在 100MHz 的 88dB 無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍SFDR，可提供適合高速 14 位 ADC 的寬動(dòng)態(tài)范圍驅動(dòng)能力。例如：當以一個(gè) 150Msps 的采樣速率向 14 位 LTC2262-14 提供一個(gè) DC 耦合單端 70MHz 驅動(dòng)輸入時(shí)，所產(chǎn)生的 SNR 和 SFDR 分別為 71.1dB 和 81.6dB。

2. 電壓基準噪聲

在儀表系統中，分辨率和準確度方面的限制因素常常是電壓基準穩定性和噪聲。近來(lái)，有兩個(gè)因素使電壓基準噪聲變得更加重要了。第一個(gè)因素是系統電源電壓呈日漸降低之勢。在較低的工作電壓條件下，噪聲層變得更為明顯。第二個(gè)因素是，隨著(zhù)具有高初始準確度和低漂移特性的新型基準面市、以及系統設計人員能夠更加容易地對系統因素進(jìn)行校準，基準穩定性問(wèn)題已經(jīng)變得不那么棘手了。然而，噪聲是無(wú)法予以校準的。為了幫助設計人員滿(mǎn)足那些采用較低電源電壓系統的苛刻要求，凌力爾特公司推出了具無(wú)與倫比的 0.25ppm 峰至峰噪聲水平的 LT6655。LT6655 可提供 7 種輸出電壓選項 (從 1.25V 至 5V)，是儀表及測試設備所需的高分辨率 ADC 和 DAC 的理想同伴芯片。該器件的寬工作溫度范圍和卓越的穩定性使其成為汽車(chē)及其他嚴酷環(huán)境中的絕佳選擇。

3. 電機控制電流測量中的共模噪聲

用于閉環(huán) PWM控制的準確電流測量 (例如：監視 H 橋電機所需的電流測量) 是一項極具挑戰性的工作。人們優(yōu)選的方法通常是采用一個(gè)與電機相串聯(lián)的并聯(lián)電阻器。當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)和閉合時(shí)，共模電壓會(huì )非常突然地從一個(gè)電平變至另一個(gè)電平，并伴隨有由于流過(guò)電機的電流發(fā)生變化所導致的大反饋電壓 (L di/dt)，因而使情況更加復雜。應對這種共模噪聲的方法之一是對電流測量進(jìn)行同步處理，以使測量在電路實(shí)現穩定之后進(jìn)行。但在實(shí)際操作中這種做法會(huì )很難實(shí)施。諸如 LT1999 等新產(chǎn)品簡(jiǎn)化了這一測量難題。LT1999 具有一個(gè) 96dB (在 DC) 和 80dB (在 100kHz) 的輸入共模抑制比。其階躍響應為 1μs，而帶寬為 2MHz。這款器件專(zhuān)為嚴苛環(huán)境而設計，擁有高 ESD 耐受能力、低 EMI 敏感性和 一個(gè) -55°C 至 150°C 的規定工作溫度范圍，從而使其非常適合于汽車(chē)及工業(yè)應用。

放大電路

運算放大器是極為通用的單元式部件，可用于信號的放大和調理。但是，由于我們生活在現實(shí)世界之中，因此并不存在諸如“理想運算放大器”之類(lèi)的東西。設計人員必須了解其設計目標，并選擇一款具有期望規格組合 (使其能夠滿(mǎn)足這些目標) 的放大器。對于很多應用而言，一個(gè)重要的發(fā)展趨勢就是“以更少組件處理更多工作”。在電子系統中，這通常意味著(zhù)比先前產(chǎn)品更快的速度、更高的準確度和更低的功耗。LTC6252 / 3 / 4、LTC624 / 5 / 6 和 LTC6255 / 6 / 7 系列運算放大器提供了一種新的速度-功率效率水平，并保持了低噪聲和高準確度。這些產(chǎn)品運用了一種先進(jìn)的 SiGe 工藝，以實(shí)現以下的優(yōu)異性能：LTC6252 具有 20MHz GBW 和僅 3.5mA 的消耗電流，LTC6246 擁有 180MHz 帶寬且消耗電流僅為 1mA，而 LTC6255 則具備 6.5MHz GBW 和區區 65μA 的消耗電流。這些產(chǎn)品還可提供纖巧型封裝，并在 -40°C 至 125°C 的溫度范圍內擁有絕佳的 AC 和 DC 規格指標，從而使設計人員能夠以低功耗來(lái)實(shí)現優(yōu)越的性能。